Comment les scientifiques cartographient le câblage du cerveau

Qu'est-ce qu'un connectome ?

Un connectome est une carte complète de chaque connexion neuronale à l'intérieur d'un cerveau – un schéma de câblage qui montre quels neurones communiquent avec quels autres, et par quel type de synapse. Le terme a été inventé indépendamment en 2005 par le neuroscientifique Olaf Sporns de l'Université de l'Indiana et le chercheur Patric Hagmann de l'Hôpital universitaire de Lausanne. Le domaine construit autour de cette idée, la connectomique, repose sur une prémisse simple : pour comprendre comment fonctionne un cerveau, il faut d'abord savoir comment il est câblé.

Imaginez que vous essayez de diagnostiquer une panne dans le réseau électrique d'une ville. Sans schéma de circuit, chaque réparation est une conjecture. La même logique s'applique au cerveau – et aux maladies qui l'attaquent.

Des vers aux mouches : une brève histoire

Le premier connectome a pris des décennies. Dans les années 1970, le biologiste Sydney Brenner et son équipe du Laboratoire de biologie moléculaire du MRC ont commencé à découper le ver rond Caenorhabditis elegans en sections ultra-minces, à photographier chacune d'elles au microscope électronique et à tracer méticuleusement chaque voie neuronale à la main. Le résultat, publié en 1986, a cartographié les 302 neurones et environ 7 000 synapses du système nerveux du ver – le premier schéma de câblage complet d'un animal.

Il est resté le seul connectome complet pendant près de quatre décennies. Puis, en 2024, un grand consortium international financé par les National Institutes of Health des États-Unis a publié le connectome complet de la mouche des fruits adulte (Drosophila melanogaster) – un bond en avant stupéfiant en termes de complexité. Le cerveau de la mouche contient environ 139 000 neurones et plus de 54 millions de synapses, publiés dans neuf articles de Nature.

Comment fonctionne la cartographie cérébrale

Il n'existe pas de technique unique pour cartographier les connectomes. La méthode dépend de l'échelle dont les chercheurs ont besoin.

Microscopie électronique (échelle nanométrique)

Pour les cartes neurone par neurone, les scientifiques découpent le tissu cérébral en sections de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur – bien plus fines qu'un cheveu humain – et imagent chaque section avec un microscope électronique. Un logiciel assemble ensuite des millions d'images, et les chercheurs (souvent aidés par l'IA) tracent le chemin de chaque axone et dendrite à travers la pile. C'est ainsi que les connectomes du ver et de la mouche ont été construits. C'est extraordinairement détaillé, mais lent et coûteux.

IRM de diffusion (échelle macro)

Pour les cerveaux humains vivants, les chercheurs utilisent l'imagerie par résonance magnétique de diffusion (IRM de diffusion), qui suit le mouvement des molécules d'eau le long des fibres nerveuses. Combinée à des algorithmes de tractographie, l'IRM de diffusion peut reconstruire les principales autoroutes de la substance blanche du cerveau – les câbles longue distance reliant des régions éloignées. Le Human Connectome Project, lancé par les NIH en 2009 avec un financement de 40 millions de dollars, a utilisé cette approche pour scanner 1 200 adultes en bonne santé et identifier 180 zones corticales distinctes, dont 97 régions auparavant inconnues.

Code-barres ARN (la nouvelle frontière)

Une technique appelée Connectome-seq, publiée dans Nature Methods en 2026, adopte une approche radicalement différente. Les scientifiques attribuent à chaque neurone un « code-barres » ARN unique. Des protéines modifiées transportent ces codes-barres vers la synapse, où les étiquettes pré-synaptiques et post-synaptiques sont placées côte à côte. Les chercheurs isolent ensuite les synapses et utilisent le séquençage à haut débit pour lire quelles paires de codes-barres apparaissent ensemble – révélant des connexions directes entre les neurones sans jamais toucher un microscope. Lors de sa première démonstration, l'équipe a cartographié plus de 1 000 neurones dans un circuit cérébral de souris et a découvert des connexions auparavant inconnues entre les types de cellules.

Pourquoi c'est important

Les cartes de connectome ne sont pas que des exercices académiques. En comparant le câblage des cerveaux sains avec ceux affectés par des affections telles que la maladie d'Alzheimer, la schizophrénie ou l'autisme, les chercheurs espèrent identifier les changements spécifiques au niveau des circuits qui sont à l'origine de ces troubles. Le connectome de la mouche des fruits, par exemple, permet déjà aux scientifiques de retracer les voies neuronales exactes derrière des comportements tels que la navigation et la prise de décision – des circuits qui présentent des parallèles surprenants avec les cerveaux des mammifères.

L'objectif ultime est un connectome complet du cerveau humain, avec ses quelque 86 milliards de neurones et 100 000 milliards de synapses. Aux vitesses actuelles, cela reste encore loin. Mais chaque nouvelle technique – de la microscopie électronique plus rapide au codage par code-barres ARN – réduit le calendrier. Ce qu'il a fallu à l'équipe de Brenner une décennie pour cartographier chez un ver pourrait éventuellement être réalisé dans l'ensemble du cerveau humain, transformant la neurologie de la conjecture éclairée en ingénierie de précision.